淺層地下水地基加固方案的選擇

淺層地下水地基加固方案的選擇

目前，在復(fù)雜條件（如采動(dòng)變形、擾動(dòng)結(jié)構(gòu)和建筑物負(fù)荷作用）的共同作用下，建筑物的基本穩(wěn)定性研究較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠于設(shè)計(jì)要求。采用強(qiáng)夯加固地基,施工方便,加固效果好,經(jīng)濟(jì)效益顯著,但由于地質(zhì)條件復(fù)雜,強(qiáng)夯可能導(dǎo)致斷層的活化,斷層活化與采空區(qū)沉陷共同作用,將導(dǎo)致嚴(yán)重的地表變形,不利于地面建筑物的施工。根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)條件,為滿足實(shí)際工程要求,選擇了兩種地基加固方式,表土的換填墊層法和斷層注漿法。現(xiàn)分別研究其地基加固效果,最終確定適宜的地基加固方式。1下伏石炭系和奧陶紀(jì)構(gòu)造及構(gòu)造某礦區(qū)位于太行隆起東翼,多為新華夏系構(gòu)造體系,南北構(gòu)造帶及華夏式構(gòu)造居次要地位。該區(qū)褶皺不發(fā)育,規(guī)模小而平緩,斷裂十分發(fā)育,地層平緩呈單斜。礦區(qū)地表廣泛被新生代沉積物覆蓋,丘陵區(qū)主要為第三系固結(jié)卵礫石,低洼處主要為第四系粘土和卵礫石,總厚度70～130m;下伏石炭系和奧陶系地層。石炭系地層為含煤碎屑沉積巖,底部為山西式鐵礦和頁巖,該系區(qū)內(nèi)殘留厚度幾米至幾百米;巖漿巖為一埋深較大的隱伏巖體,巖性為閃長巖-二長巖-正長巖系列。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育,走向延長千米以上的斷層有14條。大致可分為北北東向、北東向和北西向三組,以北北東向斷裂最為發(fā)育。北東向和北西向兩組僅居附從地位。其中F1斷層:縱貫礦區(qū)西部,全長10余公里。走向北北東,傾向北西西,傾角60°左右,斷層西側(cè)下降,東側(cè)上升,屬高角度正斷層。本文只研究距離新建建筑物最近的F1斷層。2模擬分析的rp2值2.1非均質(zhì)性參數(shù)的引入RFPA2D是一個(gè)能模擬巖石從裂紋萌生、擴(kuò)展直至斷裂全過程的數(shù)值分析系統(tǒng),該系統(tǒng)基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和損傷介質(zhì)力學(xué)原理,具有應(yīng)力分析和破壞分析兩方面功能。其顯著特點(diǎn)是將巖石類材料的不均勻性參數(shù)引入到計(jì)算單元中,充分考慮了巖石介質(zhì)的非均勻性,其優(yōu)越性在于可以考慮巖層中存在的不連續(xù)面,如節(jié)理、裂隙以及斷層的影響;同時(shí),假定各巖層細(xì)觀單元為均質(zhì)、各向同性線彈脆性體,為了充分考慮巖石類材料的非均勻性,假定各巖層細(xì)觀單元的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)均服從韋伯(Weibull)分布,從而使每一巖層具有相似的物理力學(xué)性質(zhì)。因此,本文將開挖過程巖體介質(zhì)概化為:由具有開挖孔洞的分層所組成的非線性空間體,各分層具有相似物理學(xué)性質(zhì),非均質(zhì)各向同性。用均質(zhì)度系數(shù)m來表征材料的均勻程度,m越大,巖石越均質(zhì);反之,則越不均質(zhì)。本文m值均為1.5。2.2數(shù)值模擬結(jié)果和分析2.2.1有限元網(wǎng)格模型根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)資料,簡化的二維研究模型如圖1所示,模型沿走向長度為260m,高為160m,劃分成260×160共41600個(gè)有限元網(wǎng)格。模型的頂部沿走向180～240m處外加建筑物荷載,F1斷層傾角為64°。邊界條件為:兩端水平約束,可垂直移動(dòng),底端固定。開挖的煤層分為上下兩層,先從上至下依次開挖,煤層自左側(cè)30m處開挖,步距為每步15m,上下兩煤層開挖距斷層約為20m,利用表1參數(shù)來模擬在不同的加載條件下,為滿足地基穩(wěn)定性,選擇合理的基礎(chǔ)形式和地基加固方式。2.2.2建筑物荷載的地表沉降量根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),采用條形基礎(chǔ)時(shí),辦公樓樓層荷載按每層18kN/m2計(jì)算,即18kPa的柔性荷載直接施加在地基上,然后每步增加18kPa的建筑物荷載,共增加6步,來模擬建筑物新增荷載對(duì)圍巖破壞和地表沉降的影響。采用條形基礎(chǔ)且未加固地基時(shí)最終的圍巖破壞剪應(yīng)力分布圖及其地表沉降量見圖2。從圖中可以看出當(dāng)加6層建筑物荷載后,表土已出現(xiàn)不同程度的破壞且斷層已發(fā)生活化現(xiàn)象。地表沉降量圖中step14代表開挖完成后地表沉降量,step15為第一次加荷18kPa時(shí)地表沉降量,step20為6層建筑物荷載完全加在模型上時(shí)的地表最終沉降量。當(dāng)建筑物高度小于100m時(shí),對(duì)于中低壓縮性土,沉降量應(yīng)小于300mm;對(duì)于高壓縮性土,沉降量應(yīng)小于400mm。step20沉降曲線最大值已經(jīng)超過600mm,因此,該方案行不通。眾所周知,加大建筑物基礎(chǔ)面積可以減小施加在地基上的荷載,因此考慮采用筏板基礎(chǔ)運(yùn)用于本工程中。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),采用筏板基礎(chǔ)時(shí),辦公樓樓層荷載按每層12kN/m2計(jì)算。如圖3所示。從圖中可以看出當(dāng)加6層建筑物荷載后,表土有少許的破壞,斷層仍然發(fā)生活化現(xiàn)象。step20沉降曲線最大值仍然大于400mm,因此,此方案仍行不通。2.2.3地面采空?qǐng)龅鼗林脫Q由于表土沉降量過大,采用地基處理是治本的措施,在選擇地基處理方案時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮淺層的地基處理,如尚不能滿足要求,再考慮深層處理或采用樁基、深基。當(dāng)在建筑范圍內(nèi)上層軟弱土較薄,則可采用全部置換處理,因此采用換填墊層法,利用礦區(qū)煤矸石進(jìn)行地基土置換,在建筑物基礎(chǔ)范圍內(nèi),換填3m厚的煤矸石,參數(shù)設(shè)置如表2所示。首先還是考慮采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的條形基礎(chǔ),如圖4所示。從圖中可以看出當(dāng)施加6層建筑物荷載后,只有斷層發(fā)生活化現(xiàn)象,表土基本沒有發(fā)生破壞,但step20沉降曲線最大值仍然大于400mm,不能滿足要求,因此再次考慮筏板基礎(chǔ)的使用。圖5為采用筏板基礎(chǔ)且加固地基時(shí),最終的圍巖破壞剪應(yīng)力分布圖及其地表沉降量。從圖中可以看出當(dāng)加6層建筑物荷載后,也只有斷層發(fā)生活化現(xiàn)象,step20沉降曲線最大值小于400mm。因此采用筏板基礎(chǔ)和填換墊層法的結(jié)合可以有效減小地基沉降量,滿足工程要求。2.2.4注漿加固研究由于采用筏形基礎(chǔ)且填換墊層后,斷層仍然出現(xiàn)活化的現(xiàn)象,為了防止因斷層活化而導(dǎo)致淺層地下水通過斷層裂隙流向采空區(qū)所造成的淺層地下水流失對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,選擇斷層的注漿加固處理來避免建筑物荷載對(duì)斷層活化的影響。注漿材料參數(shù)如表2所示。斷層加固后圍巖的剪應(yīng)力分布圖及其地表沉降量見圖6。由圖可見,斷層沒有發(fā)生活化的現(xiàn)象。斷層加固前后,建筑物下表土的最終沉降量平均值分別為325mm和323mm,沉降量的最大值都出現(xiàn)模型沿走向210m處附近,即出現(xiàn)在建筑物地基中部,也就是說斷層加固后地表的沉降量有一定的減小。3地下水?dāng)鄬蛹庸檀胧?)對(duì)于承載能力相對(duì)較弱的表土,改變基礎(chǔ)選型、選擇合理的地基加固方式,可以有效的減小地基沉降量。2)為了防止淺